涂 強(qiáng)，劉 鋒，付 兵，湯顯廷

（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006）

1 研究背景

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐及施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，因此外貼FRP 加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)在全世界得到廣泛的使用［1］。使用復(fù)材加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中主要出現(xiàn)混凝土保護(hù)層剝離與復(fù)材底板端部附近的彎剪裂縫形發(fā)展，最終導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝離破壞。因此，現(xiàn)有試驗(yàn)主要是針對(duì)各種剝離破壞模態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前所完成的試驗(yàn)研究出現(xiàn)的破壞模態(tài)主要為混凝土保護(hù)層剝離破壞［2-4］。

其中，F(xiàn)RP 加固鋼筋混凝土梁通常以混凝土保護(hù)層剝離或中部裂縫剝離的模態(tài)破壞而失效。因此，F(xiàn)RP與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度是控制FRP 加固結(jié)構(gòu)中各種形式破壞模態(tài)的關(guān)鍵因素。目前有大量關(guān)于FRP 與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)及理論工作正在進(jìn)行?，F(xiàn)有的試驗(yàn)工作包括使用單剪試驗(yàn)［5-9］、雙剪試驗(yàn)［10］及 FRP加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)［11］。

現(xiàn)有的研究認(rèn)為，在剪切試驗(yàn)中FRP 與混凝土之間的主要破壞模態(tài)是混凝土在受剪狀態(tài)下的開(kāi)裂，通常發(fā)生在混凝土粘結(jié)面。因此，粘結(jié)強(qiáng)度（即極限載荷）通常取決于混凝土強(qiáng)度，此外，F(xiàn)RP 與混凝土構(gòu)件的寬度比也有一定的影響［12］。但是，由于實(shí)際應(yīng)用中所需加固的構(gòu)件混凝土強(qiáng)度并不高，會(huì)導(dǎo)致外貼FRP的利用效率較低，構(gòu)件破壞時(shí)FRP 的應(yīng)變僅為極限應(yīng)變值的20%～40%，未能充分利用FRP 的性能。因此，為了限制FRP 的剝離以提高其利用率，有學(xué)者提出使用機(jī)械錨固的方式，例如嵌入金屬線［13］、鋼釘板（也稱混合粘貼）［14］、FRP 錨具［15］。

但是上述幾種機(jī)械錨固方式存在施工復(fù)雜、金屬材料耐腐蝕性差等缺點(diǎn)，因此，Smith 等人［16］提出在FRP 底板附加垂直的U 型箍加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)方案，其試驗(yàn)變量為U 型箍的寬度和位置。試驗(yàn)結(jié)果表明，附加了垂直U 型箍的試件與對(duì)比試件（僅有FRP 底板）的極限承載能力相近，效果不明顯。

因此，我們提出在FRP 板端附加不同角度斜向U型箍的想法，希望通過(guò)改變U 型箍角度能有效限制FRP 底板的剝離，以提高極限承載能力和FRP 的利用率。通過(guò)一系列使用不同角度U 型箍的單剪試驗(yàn)研究FRP 底板與斜向U 型箍的傳力機(jī)理，提出一個(gè)U 型箍設(shè)計(jì)模型用于FRP 加固鋼筋混凝土梁的模擬中，以及找到U 型箍最優(yōu)傾斜角度用于實(shí)際工程中。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用近端支撐單剪實(shí)驗(yàn)方式，一共有6 個(gè)混凝土試件。試件尺寸為長(zhǎng)700 mm、寬220 mm、高300mm，受拉直板粘貼在混凝土試塊上的長(zhǎng)度為400mm，在混凝土塊邊緣留空50 mm。如圖1所示，L1為受拉直板的寬度，L2為U 型箍寬度，L3為U 型箍的粘貼長(zhǎng)度。試件尺寸設(shè)計(jì)主要考慮受拉直板在混凝土基底上以及U 型箍的粘結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)有效粘結(jié)長(zhǎng)度。受拉直板采用FRP 預(yù)制板，U 型箍為FRP 布用環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)采用濕粘法進(jìn)行粘貼。

圖1 試件尺寸Fig.1 Size of Specimen

試驗(yàn)變量為U 型箍的傾斜角度，具體設(shè)計(jì)方案如表1所示。控制試件僅有受拉直板，直板寬度為50 mm，命名為“CB1”。字母“I”表示 U 型箍的角度，字母“P”為U 型箍層數(shù)，字母“L”表示 U 型箍粘貼長(zhǎng)度；字母“W”為U 型箍寬度，本批試驗(yàn)U 型箍寬度均為75 mm；字母“C”為混凝土試塊倒角半徑，本批試驗(yàn)倒角半徑均為25 mm。以試件“I45P2W75L250C25”為例，該試件U型箍為2層，角度為45°，寬度為75 mm，粘貼長(zhǎng)度為250 mm，混凝土試件倒角半徑為25 mm。

表1 試件設(shè)計(jì)Tab.1 Specimens Design

2.2 材料性能

本試驗(yàn)采用同一批次的商品混凝土澆筑所有試件，且置于相同養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)立方體（150 mm×150 mm×150 mm）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得28 d立方體抗壓強(qiáng)度為23.9 MPa。

受拉直板使用的材料為CFRP 預(yù)制板，名義厚度為1.2 mm，極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為2 281 MPa和159 GPa。U 型箍采用的材料為CFRP 布，名義厚度為0.167 mm，極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為3 935 MPa和253 GPa。

2.3 試件準(zhǔn)備

粘貼FRP 之前需要對(duì)混凝土試件表面進(jìn)行鑿毛處理，用鑿毛機(jī)對(duì)混凝土試件粘貼區(qū)表面處理，直至在粘貼區(qū)表面見(jiàn)到骨料。用砂紙打磨FRP 預(yù)制板粘貼面，使FRP 預(yù)制板表面有一定的粗糙度，提高其粘貼能力。粘貼FRP 預(yù)制板前，需在經(jīng)過(guò)鑿毛處理的受拉直板粘貼區(qū)域涂刷一層1～2 mm 厚的環(huán)氧樹(shù)脂膠（Sika330），F(xiàn)RP 預(yù)制板粘貼面刷一層厚度約為2 mm 的環(huán)氧樹(shù)脂，粘貼時(shí)輕微用力擠壓，將混凝土與FRP 預(yù)制板界面處的氣泡排出。FRP 預(yù)制板粘貼后在干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù)1 d。然后采用濕粘法將CFRP 布逐層交錯(cuò)粘貼于指定區(qū)域。粘貼完成后將試件放置在干燥環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至少7 d 再進(jìn)行加載。

2.4 試件測(cè)量方案

受拉直板沿著應(yīng)力方向布置規(guī)格為20 mm 的應(yīng)變片，應(yīng)變片間距為40 mm，在U 型箍搭接處布置3個(gè)應(yīng)變片，兩側(cè)應(yīng)變片距離邊緣10 mm；U 型箍應(yīng)變片布置沿著FRP 絲方向布置。在受拉直板加載端與混凝土基底交界處布置位移傳感器（LVDT），用于測(cè)量FRP 板的受拉方向總位移，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變片布置方案Fig.2 Arrangement of Strain Gauge

2.5 試件加載方案

加載在特定的單剪試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，試件由混凝土試塊、受拉直板及U 型箍3 部分組成。通過(guò)裝置中的夾具夾緊受拉直板，在受拉端用千斤頂施加拉力。該裝置可以調(diào)整夾具高度，使得FRP 受拉直板與拉桿處于同一水平軸線。如圖3所示，加載過(guò)程由手動(dòng)液壓千斤頂施加荷載，采用力控制，加載速率為1 kN/min；在千斤頂一端布置力傳感器，用于測(cè)量拉力大?。辉囼?yàn)過(guò)程中荷載、應(yīng)變、位移均連接采集儀（TDS-530 型）由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

圖3 加載裝置Fig.3 Load Set-up

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 破壞模態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果表明：使用傾斜角為銳角U 型箍的試件能不同程度地提高試件承載力與FRP 受拉直板的利用率；使用傾斜角為直角的U 型箍試件可以提高試件的延性，但是承載力提高不明顯；使用傾斜角為鈍角的U 型箍試件作用并不明顯。

6個(gè)試件中出現(xiàn)了以下4 種破壞模態(tài)：①受拉直板剝離破壞（CB1）；②U型箍剝離破壞（I45P2W75L250C25與I30P2W75L250C25）；③受拉直板與U 型箍搭接區(qū)剝離破壞（I60P2W75L250C25）；④U型箍撕裂破壞（I90P2W75L250C25 與I135P2W75L250C25），各種破壞模態(tài)如圖4所示。使用U 型箍加固的試件均先出現(xiàn)受拉直板的剝離，隨后由U 型箍繼續(xù)受力，直至出現(xiàn)最終破壞模態(tài)。

圖4 最終破壞模態(tài)Fig.4 Ultimate Failure Models

3.2 U型箍?jī)A斜角度對(duì)FRP板與混凝土基底粘結(jié)性能的影響

在受拉直板端部附加不同傾斜角度的斜向U 型箍對(duì)試件的極限承載力、延性以及復(fù)材利用率等方面的影響呈現(xiàn)如下規(guī)律：U 型箍長(zhǎng)度、寬度、厚度均一致的條件下，傾斜角為銳角的U 型箍對(duì)試件的極限承載力影響較大，其中傾斜角為45°的FRP 斜向U 型箍效果最佳；傾斜角為直角的U 型箍提高試件極限承載力不明顯，但由于在受拉直板剝離后U 型箍會(huì)有一定變形形成銳角，因此該試件的荷載唯一曲線會(huì)有2 段上升階段；傾斜角為鈍角的U 型箍對(duì)試件極限承載力與延性的提升均不明顯。荷載位移曲線如圖5所示。

圖5 荷載位移曲線Fig.5 Load-displacement Curves

對(duì)比控制試件CB1（極限承載力為24.03 kN，破壞時(shí)位移為3.37 mm）；試件I30P2W75L250C25 的極限承載力為56.43 kN（相比控制試件提高了135.41%），破壞時(shí)位移為8.02 mm（是控制試件的2.38 倍）；試件I45P2W75L250C25 的極限承載力為70.24 kN（相比控制試件提高了192.30%），破壞時(shí)位移為12.89 mm（是控制試件的的3.82 倍）；試件I60P2W75L250C25 的極限承載力為62.57 kN （相比控制試件提高了160.38%），破壞時(shí)位移為14.28 mm（是控制試件的4.24 倍）；試件I90P2W75L250C25 的極限承載力為30.27 kN（相比控制試件提高了25.96%），破壞時(shí)位移為 16.38 mm （是控制試件的 4.86 倍）；試件I135P2W75L250C25 的極限承載力為35.00 kN（相比控制試件提高了44.44%），破壞時(shí)位移為6.95 mm（是控制試件的2.07 倍）。其中，極限承載力提升最多的試件是I45P2W75L250C25，延性提高最多的試件是I90P2W75L250C25。

3.3 U型箍?jī)A斜角度對(duì)單剪試件復(fù)材底板應(yīng)變的影響

圖6為試件破壞時(shí)，受拉直板各個(gè)位置的應(yīng)變情況，可以看出不同傾斜角度的FRP 斜向U 型箍對(duì)受拉直板加固效果有較大差異：傾斜角為30°、45°和60°的FRP 斜向U 型箍可以大幅提升復(fù)材抗拉利用率，傾斜角度為90°和135°的FRP 斜向U 型箍試件與控制試件受拉直板應(yīng)變相差不大?？刂圃嚰﨏B1 破壞時(shí)受拉直板的最大應(yīng)變?yōu)? 275 με，遠(yuǎn)小于FRP 板的斷裂應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：試件I30P2W75L250C25 破壞時(shí)受拉直板的最大應(yīng)變?yōu)?5 198 με（比 CB1 高128.48%）、試件 I45P2W75L250C25、I60P2W75L250C25、I90P2W75L250C25、I135P2W75L250C25 的破壞應(yīng)變分別為6 185 με、6 342 με、2 850 με 與 2 966 με，分別比CB1 高171.87%、高178.77%、高25.27%與30.37%。

圖6 FRP受拉直板破壞時(shí)應(yīng)變Fig.6 Distributions of Strain along the FRP Sheet at Failure

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)試件的破壞模態(tài)、極限承載力及斜向U 型箍利用效率的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

⑴在受拉直板末端配置FRP 斜向U 型箍能有效提高試件的極限承載能力以及受拉直板的利用率；

⑵與對(duì)比試件 CB1 進(jìn)行比較，30°、45°、60°、90°、135°的U 型箍極限承載力分別提升135.41%、192.30%、160.38%、25.96%、44.44%；受拉直板最大應(yīng)變分別提升128.48%、171.87%、178.77%、25.27%、30.37%。綜合以上數(shù)據(jù)可知，45°的U 型箍為較好的選擇。